Графическое и численное дифференцирование. Вычисление производной в Excel Как брать производные в экселе

Графическое дифференцирование начинают с построения графика функции по заданным значениям. При экспериментальном исследовании такой график получают с помощью самопишущих приборов. Далее проводят касательные к кривой в фиксированных положениях и вычисляют значения производной по тангенсу угла, образованного касательной с осью абсцисс.

На рис. 5.8, а изображена кривая полученная экспериментально на установке (рис. 5.6). Определение углового ускорения (искомой функции) проводят графическим дифференцированием по соотношению:

(5.19)

Тангенс угла наклона касательной к кривой в некоторой точке i представляют в виде отношения отрезков , где К – выбранный отрезок интегрирования (рис. 5.8, б )

После подстановки этого соотношения в соотношение (5.19) полу­чают

где - ордината искового графика углового ускорения;

Масштаб искомого графика ; единицы СИ: = мм; = мм/(рад с -2).

График функции строят по найденным значениям орди­нат для ряда позиций. Точки на кривой соединяют от руки плавной линией, а затем обводят с помощью лекала.

Графическое дифференцирование рассмотренным методом каса­тельных имеет относительно низкую точность. Более высокую точность получают при графическом диф­ференцировании методом хорд (рис. 5.8, в и г ).

На заданной кривой отмечают ряд точек 1 ", 2 ", 3" , которые соединяют хордами, т.е. заменяют заданную кривую ломаной ли­нией. Принимают следующее, допущение: угол наклона касательных в точках, расположенных посередине каждого участка кривой, ра­вен углу наклона соответствующей хорды. Это допущение вносит некоторую погрешность, но она относится только к данной точке. Эти погрешности не суммируются, что обеспечивает приемлемую точность метода.

Остальные построения аналогичны ранее описанным при графи­ческом дифференцировании методом касательных. Выбирают отре­зок (мм); проводят лучи, наклоненные под углами до пересечения с осью ординат в точках 1 ", 2 ", 3 " ... , которые переносят на ординаты, проведенные в середине каждого из интервалов. Полученные точки 1 *, 2 *, 3 * являются точками иско­мой функции .

Масштабы по осям координат при этом методе построения свя­заны таким же соотношением (5.21), которое было выведено для случая графического дифференцирования методом касательных.

Дифференцирование функции f(x) , заданной (либо вычисленной) в виде массива чисел, выполняют методом численного дифферен­цирования с применением ЭВМ.

Чем меньше шаг в массиве чисел, тем точнее можно вычис­лить значение производной функции в этом интервале

Для решения многих инженерных задач часто требуется вычисление производных. Когда есть формула, описывающая процесс, сложностей никаких нет: берем формулу и вычисляем производную, как учили еще в школе, находим значения производной в разных точках, и всё. Сложность, наверное, только в этом и состоит, чтобы вспомнить, как вычислять производные. А как быть, если у нас есть только несколько сотен или тысяч строк с данными, а никакой формулы нет? Чаще всего именно так на практике и бывает. Предлагаю два способа.

Первый заключается в том, что мы наш набор точек аппроксимируем стандартной функцией Excel, то есть подбираем функцию, которая лучше всего ложится на наши точки (в Excel это линейная функция, логарифмическая, экспоненциальная, полиномиальная и степенная). Второй способ – численное дифференцирование, для которого нам нужно будет только умение вводить формулы.

Вспомним, что такое производная вообще:

Производной функции f (x) в точке x называется предел отношения приращения Δf функции в точке x к приращению Δx аргумента, когда последнее стремится к нулю:

Вот и воспользуемся этим знанием: будем просто брать для расчета производной очень маленькие значения приращения аргумента, т.е. Δx.

Для того, чтобы найти приближённое значение производной в нужных нам точках (а у нас точки – это различные значения степени деформации ε) можно поступить вот как. Посмотрим еще раз на определение производной и видим, что при использовании малых значений приращения аргумента Δε (то есть малых приращений степени деформации, которые регистрируются при испытаниях) можно заменить значение реальной производной в точке x 0 (f’(x 0)=dy/dx (x 0)) на отношение Δy/Δx=(f (x 0 + Δx) – f (x 0))/Δx.

То есть вот что получается:

f’(x 0) ≈(f (x 0 + Δx) – f (x 0))/Δx (1)

Для вычисления этой производной в каждой точке мы производим вычисления с использованием двух соседних точек: первая с координатой ε 0 по горизонтальной оси, а вторая с координатой x 0 + Δx, т.е. одна – производную в которой вычисляем и та, что поправее. Вычисленная таким образом производная называется разностной производной вправо (вперед) с шагом Δ x .

Можем поступить наоборот, взяв уже другие две соседние точки: x 0 — Δx и x 0 , т.е интересующую нас и ту, что левее. Получаем формулу для вычисления разностной производной влево (назад) с шагом — Δ x .

f’(x 0) ≈(f (x 0) – f (x 0 — Δx))/Δx (2)

Предыдущие формулы были «левые» и «правые», а есть еще одна формула, которая позволяет вычислять центральную разностною производную с шагом 2 Δx, и которая чаще других используется для численного дифференцирования:

f’(x 0) ≈(f (x 0 + Δx) – f (x 0 — Δx))/2Δx (3)

Для проверки формулы рассмотрим простой пример с известной функцией y=x 3 . Построим таблицу в Excel с двумя с столбцами: x и y, а затем построим график по имеющимся точкам.

Производная функции y=x 3 это y=3x 2 , график которой, т.е. параболу, мы и должны получить с использованием наших формул.

Попробуем вычислить значения центральной разностной производной в точках х. Для этого. В ячейке второй строки нашей таблицы забиваем нашу формулу (3), т.е. следующую формулу в Excel:

Теперь строим график с использованием уже имеющихся значений х и полученных значений центральной разностной производной:

А вот и наша красненькая парабола! Значит, формула работает!

Ну а теперь можем перейти к конкретной инженерной задаче, про которую говорили в начале статьи – к нахождению изменения dσ/dε с увеличением деформации. Первая производная кривой «напряжение-деформация» σ=f (ε) в зарубежной литературе называется «скорость упрочнения» (strain hardening rate),а в нашей – «коэффициент упрочнения». Итак, в результате испытаний мы имеем массив данных, которой состоит из двух столбцов: один — со значениями деформаций ε и другой – со значениями напряжений σ в МПа. Возьмем холодную деформацию стали 1035 или наша 40Г (см. таблицу аналогов сталей) при 20°С.

C	Mn	P	S	Si	N
0.36	0.69	0.025	0.032	0.27	0.004

Вот наша кривая в координатах «истинное напряжение — истинная деформация» σ-ε:

Действуем так же, как и в предыдущем примере и получаем вот такую кривую:

Это и есть изменение скорости упрочнения по ходу деформации. Что с ней делать, это уже отдельный вопрос.

Пример 3 : Отобрать с помощью автофильтра студентов, обучающихся в группе № 5433 с фамилией, начинающейся на букву С .

Последовательность действий

1. Скопировать базу данных (рис. 30) на Лист 3.

2. Фамилия .

3. Выбрать из списка пункт Текстовые фильтры → Настраиваемый фильтр . В появившемся окне Пользовательский автофильтр выбрать критерий отбора начинается с , в поле напротив ввести нужную букву (проверить, чтобы раскладка была русскоязычная). Нажать ОК .

4. Открыть раскрывающийся список в столбце № группы .

5. Выбрать нужный номер.

Фильтрация записей в базе данных с помощью расширенного фильтра

Расширенный фильтр позволяет отыскивать строки с помощью более сложных критериев, по сравнению с пользовательскими автофильтрами. Расширенный фильтр использует для фильтрации данных интервал критериев.

При использовании расширенного фильтра имена столбцов, по которым задаются условия, копируются ниже исходной таблицы. Под названиями столбцов вносятся критерии отбора. После применения фильтра на экране могут отображаться только те строки, которые удовлетворяют указанному критерию, а также отфильтрованные данные могут копироваться на другой лист или в другую область на том же рабочем листе.

Пример 4 : Выбрать всех студентов из группы № 5433 , у которых средний балл больше либо равен 4,5 .

Последовательность действий

1. Скопировать базу данных (рис. 30) на Лист 4.

2. Скопировать названия столбцов № группы и средний балл

в область ниже исходной таблицы. Под названиями столбцов ввести нужные критерии отбора (рис. 32)

Рис. 32. Окно Excel с расширенным фильтром

2. На вкладке Данные на панели инструментов Сортировка

и фильтр выбрать пункт Дополнительно . Появится диалоговое окно (рис. 33), в котором указываются диапазоны данных.

Рис. 33. Окно расширенного фильтра

В поле ввода Исходный диапазон указывается интервал, содержащий исходную базу данных. В нашем случае выделяется диапазон ячеек с А1 по I9 .

В поле ввода Диапазон условий выделяется интервал ячеек на рабочем листе, который содержит требуемые критерии (С12:D13 ).

В поле ввода Поместить результат в диапазон указывается интервал, в который копируются строки, удовлетворяющие кри-

териям. В нашем случае указывается ячейка ниже области критериев, например А16 . Это поле доступно только в том случае, когда выбран переключатель Скопировать результат в другое место .

Флажок Только уникальные записи предназначен для отображения только неповторяющихся строк.

Результирующая таблица, удовлетворяющая критериям фильтрации, представлена на рис. 34.

Рис. 34. Окно Excel с результатами фильтрации

1. Создать свою базу данных, количество записей в которой должно быть не менее 15, а количество столбцов – не менее 6. Например, база данных Список клиентов (рис. 35).

2. К базе данных применить три автофильтра (на отдельных листах). Количество критериев должно быть не менее двух.

3. Применить три расширенных фильтра к записям базы данных, каждый из которых должен содержать не менее двух критериев. Все расширенные фильтры разместить на одном листе под исходной таблицей.

Рис. 35. Окно Excel с базой данных Список клиентов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Численное дифференцирование и простейший анализ функций

Цель работы : Исследовать функцию на экстремум, научиться определять критическую точку.

Из курса математики известно, что формула производной в общем виде выглядит так:

f " (x)= lim
Δx 0

где Δx – приращение аргумента; x – число, стремящееся к нулю. С помощью производной можно определить критические точки функции – минимумы, максимумы или перегибы. Если значение производной функции при каком-либо значении x равно нулю, то при этом значении x функция имеет критическую точку.

Пример 1 : Функция f x = x 2 + 2x 3 задана на интервале x 5;5 . Исследовать поведение функции f(x) .

Последовательность действий

1. Пусть Δx = 0,00001. В ячейку A1 ввести: šDx=Ÿ (рис. 36). Выделить букву D, щёлкнуть правой кнопкой мыши по выделенной букве, выбрать Формат ячеек. На вкладке Шрифт выбрать шрифт Symbol . Буква D превратится в греческую букву ѓў. Выравнивание в ячейке можно сделать по правому краю. В ячейку B1 внести значение 0,00001.

2. В ячейках с А2 по F2 оформить šшапкуŸ таблицы, как показано на рис. 36.

3. В столбце A , начиная с третьей строки, будут содержаться значения x . В ячейки с A3 по A13 ввести значения от –5 до 5.

4. В ячейке B3 записать формулу =A3^2+2*A3-3 и растянуть её до конечного значения x (до 13-й строки).

5. Чтобы определить производную функции и вычислить её значения на заданном интервале, необходимо сделать промежу-

точные вычисления. В ячейку С3 ввести формулу суммы аргумента x и его приращения Δx . Формула имеет вид: =A3+$B$1 . Растянуть её значение до конечного значения аргумента x .

Рис. 36. Окно Excel с исследованием поведения функции

6. В ячейку D3 записать формулу =C3^2+2*C3-3 , по которой вычисляется значение функции f от аргумента x Δx . Растянуть получившееся значение до конечного значения аргумента.

7. В ячейку E3 записать формулу производной (1), учитывая, что значения f x находятся в B3 , а значения f x + Δx в D3 .

Формула будет иметь вид: =(D3-B3)/$B$1 .

8. Определить поведение функции на заданном промежутке (возрастает, убывает или имеется критическая точка). Для этого необходимо в ячейку F3 самостоятельно записать формулу для определения поведения функции. Формула содержит три условия:

		f" (x) < 0	– функция убывает;
		f" (x) > 0	– функция возрастает;
		f" (x)= 0	– имеется критическая точка* .

9. Построить графики по значениям f x и f" (x) . На графике (рис. 37) видно, что если значение производной функции равно нулю, то в этом месте у функции критическая точка.

* Из-за слишком большой погрешности вычислений, значение f"(x) может не быть равным 0. Но описать эту ситуацию всё равно необходимо.

Рис. 37. Диаграмма исследования поведения функции

Задания для самостоятельной работы

Функция f(x) задана на интервале x . Исследовать поведение функции f(x) . Построить графики.

			2x 2						X [ 4 ;4 ]
								X [ 5 ;5 ]
			2x + 2
	f(x)= x3		3x 2		2 , x [ 2 ;4 ]
	f(x)= x					X [ 2 ;3 ]
				x 2 + 7

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

Построение касательной к графику функции

Цель работы : Освоить вычисление значений уравнения касательной к графику функции в точке x 0 .

Уравнение касательной к графику функции y = f(x) в точке

Пример 1 : Функция y = x 2 + 2x 3 задана на интервале x [ 5; 5 ] . Построить касательную к графику этой функции в точке x 0 = 1.

Последовательность действий:

1. Продифференцировать численно эту функцию (см. Лабораторную работу №5). Таблица исходных данных показана на рис. 38.

Рис. 38. Таблица исходных данных

2. Определить в таблице местоположение x , x 0 , f(x 0 ) и f" (x 0 ) . Очевидно, что в качестве x будут выступать значения из

столбца A , начиная с третьей строки (рис. 38). Если x 0 = 1, то в качестве x 0 будет выступать ячейка A9 . Соответственно, значение функции f в точке x 0 находится в ячейке B9 , а значение f" (x 0 )

– в ячейке E9 .

3. В столбце F рассчитывается уравнение касательной к графику функции f(x). При расчёте уравнения (1) необходимо, чтобы значения x 0 , f(x 0 ) и f" (x 0 ) не изменялись. Поэтому в напи-

сании адреса ячеек A9 , B9 и E9 нужно использовать абсолютные ссылки на эти ячейки. Фиксация ячеек производится с помощью знака š$Ÿ. Ячейки будут иметь вид: $A$9 , $B$9 и $E$9 .

Рис. 39. График функции f(x) и касательная к графику в точке x=1

Задания для самостоятельной работы

Функция f(x) определена на интервале x . Рассчитать уравнение касательной. Построить касательную к графику функции в заданной точке.

			2x 2						X [ 4 ;4 ] , x0 = 1
								X [ 5 ;5 ] , x0
			2x + 2
	f(x)= x3		3x 2		2 , x [ 2 ;4 ] , x0 = 0
	f(x)= x					X [ 2 ;3 ] , x0
				x 2 + 7

1. Веденеева, Е. А. Функции и формулы Excel 2007. Библиотека пользователя / Е. А. Веденеева. – СПб.: Питер, 2008. – 384 с.

2. Свиридова, М. Ю. Электронные таблицы Excel / М. Ю. Свиридова. – М.:Academia, 2008. – 144 с.

3. Серогодский, В. В. Графики, вычисления и анализ данных

в Excel 2007 / В. В. Серогодский, Р. Г. Прокди, Д. А. Козлов, А. Ю. Дружинин. – М.: Наука и техника, 2009. – 336 с.

Численное дифференцирование

Раздел № 5

Задача приближенного вычисления производной мо­жет возникнуть в тех случаях, когда неизвестно анали­тическое выражение для исследуемой функции. Функ­ция может быть задана таблично, или известен только график функции, полученный, например, в результате показаний датчиков параметров технологического про­цесса.

Иногда, при решении некоторых задач на компьюте­ре, из-за громоздкости выкладок может оказаться более удобным вычисление производных численным методом, чем аналитическим. При этом, разумеется, необходимо обосновать применяемый численный метод, т. е. убедить­ся в том, что погрешность численного метода находится в приемлемых границах.

Одним из эффективных методов решения дифференци­альных уравнений является разностный метод, когда вместо искомой функции рассматривается таблица ее значений в определенных точках, при этом производные приближенно заменяются разностными формулами.

Пусть известен график функции у = f (х ) на отрезке [а ,b ].Можно построить график производной функции, вспомнив ее геометрический смысл. Воспользуемся тем фактом, что производная функции в точке х равна тан­генсу угла наклона к оси абсцисс касательной к ее графи­ку в этой точке.

Если х = х 0 ,найдем у 0 = f (x 0)с помощью графика и затем проведем касательную АВ к графику функции в точке (х 0 , y 0) (рис. 5.1). Проведем прямую, параллельную касательной АВ, через точку (-1, 0) и найдем точку у 1 ее пересечения с осью ординат. Тогда значение у 1 равно тан­генсу угла наклона касательной к оси абсцисс, т. е. про­изводной функции f (x )в точке х 0:

у 1 = = tgα = f ¢ (x 0), и точка М 0 (х 0 , у 1) принадлежит графику производной.

Чтобы построить график производной, необходимо разбить отрезок [а , b ]на несколько частей точками х i , затем для каждой точки графически построить значение производной и соединить полученные точки плавной кри­вой с помощью лекал.

На рис. 5.2 показано построение пяти точек М 1, М 2 ,... , М 5 и графика производной.

Алгоритм построения графика производной:

1. Строим касательную к графику функции у = f (x )в точке (х 1 , f (x 1));из точки (-1, 0) параллельно касатель­ной в точке (х 1 , f (x 1)) проведем прямую до пересечения с осью ординат; эта точка пересечения дает значение про­изводной f ¢ (х 1).Строим точку М 1 (х 1 , f ¢ (х 1)).

2. Аналогично построим остальные точки М 2 , М 3 , М 4 и М 5 .

3. Соединяем точки М 1 , М 2 , М 3 , М 4 , М 5 плавной кривой.

M 4

Полученная кривая является графиком производной.

Точность графического способа определения производ­ной невысока. Мы приводим описание этого способа толь­ко в учебных целях.

Замечание . Если в алгоритме построения графика производ­ной вместо точки (-1, 0) взять точку (-l ,0), где l > 0, то график будет построен в другом масштабе по оси ординат.

5 . 2 .Разностные формулы

а) Разностные формулы для обыкновенных производных

Разностные формулы для приближенного вычисления производной подсказаны самим определением производной. Пусть значения функции в точках x i обозначены через y i :

y i = f (x i ), x i = a+ ih , i = 0, 1, ... , n; h =

Мы рассматриваем случай равномерного распределения точек на отрезке [a , b ]. Для приближенного вычисления производных в точках x i можно использовать следующие разностные формулы , или разностные производные .

Так как предел отношения (5.1) при h ® 0 равен пра­вой производной в точке х i , то это отношение иногда на­зывают правой разностной производной в точке x i .По аналогичной причине отношение (5.2) называют левой разностной производной в точке x i .Отношение (5.3) на­зывают центральной разностной производной в точке x i .

Оценим погрешность разностных формул (5.1)–(5.3), предполагая, что функция f (x ) разлагается в ряд Тейло­ра в окрестности точки x i :

f (x ) = f (x i )+ . (5.4)

Полагая в (5.4) х = x i + h или х = х i - h , получим

Непосредственной подстановкой разложений (5.5) и (5.6) в формулу (5.10) можно получить зависимость между второй производной функции и разностной формулой для производной второго порядка .